DE102015222657A1 - Thermally conductive elastomer mixture with good sliding properties and seal of such an elastomer mixture - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elastomermischung zur Herstellung einer Dichtung (01). Die Elastomermischung zeichnet sich dadurch aus, dass sie hexagonales Bornitridpulver als Füllstoff enthält. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer Elastomermischung für eine Dichtung sowie eine Dichtung (01) umfassend einen Elastomerkörper (07) aus einer vulkanisierten Elastomermischung mit hexagonalem Bornitridpulver als Füllstoff.The present invention relates to an elastomeric composition for producing a seal (01). The elastomer blend is characterized by containing hexagonal boron nitride powder as a filler. The invention further relates to the use of an elastomeric mixture for a seal and a seal (01) comprising an elastomeric body (07) made of a vulcanized elastomer mixture with hexagonal boron nitride powder as filler.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elastomermischung, welche sich insbesondere zur Herstellung von Elastomerdichtungen eignet. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer derartigen Elastomermischung für eine Dichtung sowie eine aus einer derartigen Elastomermischung hergestellte Dichtung. Die Dichtung kann eine berührende Dichtung mit ein oder mehr Dichtlippen jedweder Art sein, beispielsweise ein Radialwellendichtring oder eine Dichtscheibe. The present invention relates to an elastomer mixture which is particularly suitable for the production of elastomeric seals. Moreover, the invention also relates to the use of such an elastomeric composition for a seal as well as a seal made from such an elastomeric mixture. The seal may be a contacting seal with one or more sealing lips of any type, for example a radial shaft seal or a sealing washer.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Typische Anwendungen der erfindungsgemäßen Dichtung sind Einsatzorte, bei denen eine hohe Reibwärmeentwicklung im Dichtkontakt infolge einer hohen erforderlichen Dichtflächenpressung vorliegt. Derartige Bedingungen liegen beispielsweise aufgrund hoher Leckageanforderungen bei gleichzeitig hohen Drehzahlanforderungen bzw. bei hohem abzudichtenden Druck vor. Der Einsatzbereich erstreckt sich auf alle Größenbereiche von Industrie- über Automotive-Anwendungen bis hin zur Windkraft.Typical applications of the seal according to the invention are places where there is a high frictional heat development in the sealing contact due to a high required sealing surface pressure. Such conditions exist, for example, due to high leakage requirements at the same time high speed requirements or at high pressure to be sealed. The field of application covers all sizes from industrial to automotive applications to wind power.
Die Basis jeder Gummimischung ist der Kautschuk, wobei entweder Naturkautschuk oder eines der etwa 15 Syntheseprodukte Verwendung findet. Eine Gummimischung besteht zu etwa 50 % aus Elastomeren. Die anderen Bestandteile einer Gummimischung bilden Füll- und Verstärkungsstoffe, Ruß, Additive, Vernetzungschemikalien, Weichmacher, Verarbeitungshilfen sowie sonstige Gummihilfsstoffe. In der Regel enthält eine solche Rezeptur ca. 10–15 verschiedene Bestandteile. Für Dichtungen werden üblicherweise Elastomermaterialien, wie Nitrilkautschuk (NBR), hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR), Fluorkarbon-Kautschuk (FKM) und ähnliche eingesetzt. Diese Elastomermaterialien besitzen eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,2–ca. 0,9 W/mK. Elastomermischungen mit einem Talkumanteil von 28,8% erreichen parallel zur Schichtung beispielweise eine Wärmeleitfähigkeit von maximal 1,3 W/mK. Bei Verwendung von max. 30 % Kreide, Ruß oder Weichkaolin ist eine Wärmeleitfähigkeit von maximal 0,87 W/mK realisierbar. The basis of any rubber compound is rubber, using either natural rubber or one of about 15 synthetic products. A rubber compound consists of about 50% elastomers. The other components of a rubber compound are fillers and reinforcements, carbon black, additives, crosslinking chemicals, plasticizers, processing aids and other rubber additives. As a rule, such a recipe contains about 10-15 different components. For seals, elastomeric materials such as nitrile rubber (NBR), hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber (HNBR), fluorocarbon rubber (FKM) and the like are commonly used. These elastomeric materials have a thermal conductivity in the range of 0.2-ca. 0.9 W / mK. Elastomer mixtures with a proportion of talcum of 28.8% achieve, for example, a thermal conductivity of not more than 1.3 W / mK parallel to the stratification. When using max. 30% chalk, soot or soft kaolin, a maximum thermal conductivity of 0.87 W / mK can be achieved.
Hexagonales Bornitrid hat eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 400 W/mK und ist bereits als Füllstoff in thermo- und duroplastischen Materialien für das thermische Management bei Elektronikbauteilen im Einsatz. Thermoplastische Compounds auf Basis von Bornitrid erreichen Wärmeleitfähigkeiten bis 15 W/mK und Füllgrade von bis zu 60 %. Angewendet werden diese auf Thermoplasten basierenden Materialen derzeit nur im Elektronikbereich, z. B. bei LEDs zur Entwärmung. Neben der guten Wärmeleitfähigkeit zeichnet sich hexagonales Bornitrid aufgrund seiner graphitähnlichen Molekülstruktur durch gute Gleiteigenschaften aus. Hexagonal boron nitride has a thermal conductivity of up to 400 W / mK and is already in use as a filler in thermosetting and thermoset materials for thermal management of electronic components. Boron nitride-based thermoplastic compounds achieve thermal conductivities of up to 15 W / mK and fill levels of up to 60%. These thermoplastics-based materials are currently used only in the electronics sector, eg. As for LEDs for cooling. In addition to the good thermal conductivity, hexagonal boron nitride is characterized by good sliding properties due to its graphite-like molecular structure.
Wärmeleitfähige Elastomere sind aus dem LED oder OLED-Bereich bekannt. Die
Die
In der
Aus der
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Elastomermischung bereitzustellen, welche im vulkanisierten Zustand einen geringen Reibbeiwert und gleichzeitig eine große Wärmeleitfähigkeit aufweist. Des Weiteren soll eine Dichtung aus einer derartigen Elastomermischung zur Verfügung gestellt werden.The object of the present invention is to provide an elastomeric mixture which has a low coefficient of friction and at the same time a high thermal conductivity in the vulcanized state. Furthermore, a seal is to be made available from such an elastomer mixture.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient eine Elastomermischung gemäß Anspruch 1. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin durch eine Dichtung gemäß Anspruch 5 sowie eine Verwendung gemäß Anspruch 4 gelöst.To achieve the object according to the invention is an elastomer mixture according to claim 1. The object of the invention is further achieved by a seal according to claim 5 and a use according to claim 4.
Die erfindungsgemäße Elastomermischung zeichnet sich dadurch aus, dass sie hexagonales Bornitridpulver als Füllstoff enthält. Sie wird vorzugsweise zur Herstellung einer Dichtung, vorzugsweise einer berührenden Dichtung, insbesondere einer rotatorischen Dichtung eingesetzt.The elastomer composition according to the invention is characterized in that it contains hexagonal boron nitride powder as filler. It is preferably used for producing a seal, preferably a contacting seal, in particular a rotary seal.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Elastomermischung ist darin zu sehen, dass sie in ihrem vulkanisierten Zustand sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch einen geringen Reibbeiwert aufweist. Diese, insbesondere für Dichtungen gewünschten, positiven Eigenschaften werden durch das in der Elastomermischung als Füllstoff enthaltene hexagonale Bornitridpulver erreicht. Hexagonales Bornitridpulver besitzt bekanntlich eine hohe Wärmeleitfähigkeit und zeichnet sich durch gute Gleiteigenschaften aus. A significant advantage of the elastomer composition according to the invention is the fact that in its vulcanized state it has both a high thermal conductivity and a low coefficient of friction. These, in particular for seals desired positive properties are achieved by the hexagonal boron nitride powder contained in the elastomer mixture as a filler. hexagonal Boron nitride powder is known to have a high thermal conductivity and is characterized by good sliding properties.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt der Massenanteil des hexagonalen Bornitridpulvers 5 bis 45 phr (parts per hundred rubber) an der Elastomermischung. Bei einem höheren Anteil dieses Füllstoffs besteht die Gefahr, dass die Elastomermischung zu spröde wird, was zu einer geringeren Elastizität führen würde und somit den Einsatzbereich der Elastomermischung einschränken würde. Für den bevorzugten Einsatz als Dichtung muss eine gewisse Elastizität sichergestellt werden. According to an advantageous embodiment, the mass fraction of the hexagonal boron nitride powder is 5 to 45 phr (parts per hundred rubber) of the elastomer mixture. With a higher proportion of this filler there is a risk that the elastomer mixture will become too brittle, which would lead to a lower elasticity and thus limit the range of application of the elastomer mixture. For the preferred use as a seal, a certain elasticity must be ensured.
Die Partikel des hexagonalen Bornitridpulvers sollten vorzugsweise eine Partikelgröße von 5 bis 75 µm aufweisen. Zu geringe Partikelgrößen unter 5 µm können zu Problemen bei der Einarbeitung bzw. Zudosierung des Füllstoffs führen. Größere Partikelgrößen über 75 µm bergen die Gefahr von Inhomogenitäten in der Elastomermischung. Bei der Verwendung als Dichtung können sich aufgrund erhöhter Kerbspannungen an den Füllstoffen bei den häufig recht filigranen Dichtlippen (Wandstärke z. B. 0,3 mm) die mechanischen Eigenschaften der Dichtung verschlechtern. The particles of the hexagonal boron nitride powder should preferably have a particle size of 5 to 75 μm. Too small particle sizes below 5 microns can lead to problems during incorporation or addition of the filler. Larger particle sizes over 75 μm involve the risk of inhomogeneities in the elastomer mixture. When used as a seal, the mechanical properties of the seal may deteriorate due to increased notch stresses on the fillers in the case of the often quite delicate sealing lips (wall thickness, for example, 0.3 mm).
Die erfindungsgemäße Dichtung umfasst einen Elastomerkörper aus einer vulkanisierten Elastomermischung mit hexagonalem Bornitridpulver als Füllstoff. The seal according to the invention comprises an elastomeric body of a vulcanized elastomer mixture with hexagonal boron nitride powder as filler.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtung ist darin zu sehen, dass durch den Anteil von hexagonalem Bornitridpulver in der Elastomermischung eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit sowie ein verringerter Reibbeiwert im Vergleich zu bislang üblicherweise verwendeten Elastomermischungen erreicht werden kann. Dies ist insbesondere bei dynamischen, berührenden Dichtungen vorteilhaft, wo eine bessere Ableitung der im Dichtspalt entstehenden Reibwärme ermöglicht wird. Die entstehende Reibwärme wird nicht nur über das abzudichtende Bauelement, wie beispielsweise eine Welle, abgeführt, sondern auch über die Dichtung selbst. Bislang erfolgt die Wärmeableitung aus dem Dichtspalt nahezu ausschließlich über das abzudichtende Bauelement. Die Wärmeableitung wird erfindungsgemäß durch Schaffung eines zweiten Wärmeleitungspfades über die Dichtung mittels des wärmeleitenden Elastomermaterials der Dichtung ergänzt. Dadurch kann mehr Wärme aus dem Dichtspalt abgeführt werden, was zu einer geringeren Temperaturbelastung der elastomeren Dichtlippe führt. Die zulässigen Drehzahlen bzw. die maximal zulässige Dichtflächenpressung erhöhen sich im Vergleich zu herkömmlichen Dichtungen aus Standardmaterialien signifikant. Eine höhere zulässige Dichtflächenpressung führt zu geringeren Leckagen des Dichtsystems. Durch die bessere Wärmeableitung sowie die verbesserten Reibungseigenschaften treten während des Betriebs niedrigere Temperaturen an der Dichtlippe auf. Auf diese Weise kommt es zu weniger Verschleiß, wodurch sich die Lebensdauer der Dichtung verlängert. Der Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Dichtung erweitert sich somit im Vergleich zu den vorbekannten Dichtungen hinsichtlich höherer zulässiger Drehzahlen, geringerer Reibung sowie niedrigeren Leckageraten.A significant advantage of the seal according to the invention is the fact that by the proportion of hexagonal boron nitride in the elastomer mixture increased thermal conductivity and a reduced coefficient of friction compared to previously commonly used elastomer blends can be achieved. This is particularly advantageous in dynamic, contacting seals, where a better dissipation of the frictional heat generated in the sealing gap is made possible. The resulting frictional heat is dissipated not only on the component to be sealed, such as a shaft, but also on the seal itself. So far, the heat dissipation from the sealing gap is almost exclusively on the component to be sealed. The heat dissipation is inventively supplemented by creating a second heat conduction path via the seal by means of the heat-conductive elastomeric material of the seal. As a result, more heat can be removed from the sealing gap, which leads to a lower temperature load on the elastomeric sealing lip. The permissible speeds or the maximum permissible sealing surface pressure increase significantly compared to conventional seals made of standard materials. A higher permissible sealing surface pressure leads to lower leaks in the sealing system. Due to the better heat dissipation and the improved friction properties, lower temperatures occur at the sealing lip during operation. In this way, less wear, which extends the life of the seal. The range of application of the seal according to the invention thus widens in comparison to the previously known seals with regard to higher permissible rotational speeds, lower friction and lower leakage rates.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt der Elastomerkörper eine Wärmeleitfähigkeit von 2 bis 15 W/mK. Mit einer derart realisierten Wärmeleitfähigkeit kann die im Dichtspalt entstehende Wärme gut über den Elastomerkörper abgeführt werden.In an advantageous embodiment, the elastomer body has a thermal conductivity of 2 to 15 W / mK. With such realized thermal conductivity, the heat generated in the sealing gap can be dissipated well over the elastomer body.
Die Dichtung weist vorzugsweise eine mit dem Elastomerkörper verbundene Armierung auf. Der Elastomerkörper ist bevorzugt stoffschlüssig an der Armierung befestigt. Durch die Armierung kann eine Verformung der Dichtung durch im Betrieb auftretende Kräfte wirksam vermieden werden. Eine Armierung aus Blech hat sich als günstig erwiesen.The seal preferably has a reinforcement connected to the elastomeric body. The elastomeric body is preferably firmly bonded to the reinforcement. By the reinforcement deformation of the seal can be effectively avoided by forces occurring during operation. A reinforcement made of sheet metal has proven to be favorable.
Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform ist die Dichtung als rotatorische Dichtung vorzugsweise als Dichtungsring ausgeführt. Die rotatorische Dichtung dient bevorzugt zur Abdichtung eines Raumes zwischen einem ersten Maschinenelement und einem in Bezug zum ersten Maschinenelement drehbaren zweiten Maschinenelement. Das erste und das zweite Maschinenelement sind dabei konzentrisch zueinander angeordnet. Die Maschinenelemente können beispielsweise eine Welle und ein die Welle zumindest teilweise aufnehmendes Gehäuse sein. According to an expedient embodiment, the seal is designed as a rotary seal preferably as a sealing ring. The rotary seal is preferably used to seal a space between a first machine element and a second machine element rotatable relative to the first machine element. The first and the second machine element are arranged concentrically to each other. The machine elements may, for example, be a shaft and a housing which at least partially accommodates the shaft.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung wird nachfolgend anhand der einzigen beigefügten Figur näher erläutert. Die Figur zeigt dabei eine schematische Darstellung einer zwischen zwei Maschinenelementen eingebauten erfindungsgemäßen Dichtung.An embodiment of the seal according to the invention is explained below with reference to the single attached figure. The figure shows a schematic representation of a built-in between two machine elements invention seal.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
Die erfindungsgemäße Dichtung
In der gezeigten Ausführung ist die Dichtung
Der Elastomerkörper
Das der Elastomermischung beigefügte hexagonale Bohrnitridpulver hat weiterhin eine positive Auswirkung auf den Reibbeiwert des Elastomerkörpers
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 0101
- Dichtung poetry
- 0202
- abzudichtender Raum space to be sealed
- 0303
- Welle wave
- 0404
- Gehäuse casing
- 0505
- Armierung reinforcement
- 0606
- 0707
- Elastomerkörper elastomer body
- 0808
- Dichtlippe sealing lip
- 0909
- Dichtspalt sealing gap
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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